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M.Sc. Anna von der Heyden

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High Temperature Process Diagnostics

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Die Verringerung der Emissionen von Verbrennungsprozessen wird zunehmend strenger reguliert. Eines der Hauptziele ist dabei die Reduktion von Stickoxiden (〖NO〗_x) bspw. im Abgas von Dieselmotoren. Motorinterne Maßnahmen wie die Abgasrückführung oder die Absenkung der Verbrennungstemperatur allein können die Einhaltung der entsprechenden Grenzwerte nicht mehr gewährleisten. Dies kann nur durch eine Kombination von innermotorischen und außermotorischen Maßnahmen erreicht werden. Eine etablierte Methode zur außermotorischen Minderung von Stickoxidemissionen ist die selektive Katalytische Reduktion von Stickoxiden (SCR). In SCR-Systemen werden im Abgas enthaltene Stickoxide mithilfe von Ammoniak in einem Katalysator zu molekularem Stickstoff und Wasser umgesetzt. Da Ammoniak aus sicherheitstechnischen Erwägungen bisher nicht als Reinstoff in Fahrzeugen mitgeführt werden kann, wird stromaufwärts des SCR-Katalysators eine Harnstoff-Wasser Lösung in den Abgasstrom injiziert und erst im Abgasstrang zu Ammoniak umgesetzt. Dabei kann es infolge der Interaktion der zerstäubten Harnstoff-Wasser-Lösung mit den Systemwänden zur Bildung von Flüssigkeitsfilmen kommen. Diese können unter anderem zur Bildung fester Ablagerungen führen, welche die Systemrobustheit und -effizienz beeinträchtigen. Um die Robustheit, Effizienz und Regelbarkeit von SCR-Systemen zu optimieren, wird daher ein besseres Verständnis der physikalischen Prozesse benötigt, die der Entstehung von Flüssigkeitsfilmen zugrunde liegen. Dabei müssen nicht nur die individuellen Effekte, sondern auch die Korrelation zwischen Sprayeigenschaften, Gasphasenparameter und Filmbildung untersucht werden. Um diese thermochemischen Prozesse zu untersuchen, ist einerseits ein generischer Heißgasprüfstand erforderlich, auf dem reproduzierbare Experimente mit bekannten Randbedingungen durchgeführt werden können. Andererseits muss eine geeignete Messtechnik zur Verfügung stehen, mit dem es möglich ist, die Phänomene unter Prozessbedingungen zu untersuchen.

Um die thermochemischen Phänomene, die während der SCR Abgasnachbehandlung ablaufen, beobachten und vermessen zu können, wurde in enger Kooperation mit Projektpartnern ein generischer Heißgasprüfstand aufgebaut, der die Lücke zwischen realen Abgasnachbehandlungssystemen und Sprühkammern im Labormaßstab schließt. Hierbei wurde Wert daraufgelegt, dass die Geometrie des Kanals aber auch die gesamten restlichen experimentellen Randbedingungen in nummerischen Simulationen abgebildet werden können. In dem Heißgaskanal sind reproduzierbare Temperaturen zwischen 300 K und 800 K, sowie Geschwindigkeiten zwischen 1 und 15 m/s einstellbar. Die Strömungsführung sorgt für eine voll ausgebildete, turbulente Strömung im Messbereich. Durch die wohldefinierten Randbedingungen am Einlass zur Messstrecke wird der numerische Berechnungsbereich reduziert. Zwei Messkammern vor und hinter dem Katalysator ermöglichen eine vollständige optische Zugänglichkeit zur Strömung aus allen Richtungen. Zudem können Katalysatoren variabler Länge eingebaut werden, um den Einfluss dieser auf die Strömung und Gasphasenchemie zu untersuchen. Gemessen werden neben den Temperaturen, Druck, Strömungsgeschwindigkeit, Luftmassenstrom, Filmdicke, Harnstoffkonzentration im Film und Filmtemperatur unter anderem auch gasförmiges Wasser, Ammoniak, Isocyansäure und Kohlenstoffdioxid u.v.m.

Abb. 2: Schematic layout of the generic exhaust gas test bench, starting with the air supply unit (bottom left). The compressed air is heated until the limit of about 500 °C at the optical section. The plenum and the inflow nozzle are designed with integrated turbulence grids to prepare the flow. At the optical access 1 the flow will be a fully developed turbulent block profile. The injection is placed close to the optical access 1 were the investigation of the SCR phenomena takes place. Finally, the hot gas flow will be released in the exhaust section.

Für die Analyse von Flüssigkeitsfilmen im SCR-Kontext bieten sich laseroptische Methoden auf Basis der Absorptionsspektroskopie an. Die Absorption von Strahlung in einem Flüssigkeitsfilm wird dabei durch das Lambert-Beer Gesetz beschrieben. Es gibt die Abschwächung der Strahlungsintensität beim Durchgang durch eine absorbierende Substanz in Abhängigkeit von der Konzentration c, der Temperatur T und der Weglänge δ an. Nach Auswahl geeigneter Wellenlängen und einer Kalibration kann mittels Messung der Intensität des Laserlichtes vor und nach dem Durchqueren des zu untersuchenden Films die Schichtdicke, Harnstoffkonzentration und Filmtemperatur berechnet werden. Um die Messmethodik robust zu gestalten, wird der experimentelle Aufbau zusätzlich um eine vierte Wellenlänge erweitert, sodass wellenlängenunabhängige Transmissionsverluste die Messung nicht beeinflussen. Die Gestaltung des Sensors orientiert sich dabei an realen SCR-Anlagen, weshalb ein monostatisches Transceiver-Design ausgewählt wurde, dass nur mit einem einzigen optischen Zugang auskommt. Zusätzlich ist der Sensor sehr robust und kompakt ausgelegt.

Abb. 2: (a) Measurement section with location of film thickness measurement and thermocouples; (b) Film thickness sensor as a schematic view and mounted on top of the optical access of the SCR test rig.
  • Anna Schmidt, Benjamin Kühnreich, Hannah Kittel, Cameron Tropea, Ilia V. Roisman, Andreas Dreizler, Steven Wagner (Juni, 2018): Laser based measurement of water film thickness for the application in exhaust after-treatment processes. In: International Journal of Heat and Fluid Flow, Volume 71, June 2018, Pages 288-294. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2018.04.013
  • Anna Schmidt, Sani van der Kley, Steven Wagner (August, 2020): Optically accessible generic exhaust gas test bench for the investigation of fundamental SCR-relevant processes. In: Applied Optics, Vol. 59, No.23. https://doi.org/10.1364/AO.397574
  • Schmidt, Anna, Matthias Bonarens, Ilia V. Roisman, Kaushal Nishad, Amsini Sadiki, Andreas Dreizler, Jeanette Hussong, and Steven Wagner. 2021. „Experimental Investigation of AdBlue Film Formation in a Generic SCR Test Bench and Numerical Analysis Using LES“ Applied Sciences 11, no. 15: 6907. https://doi.org/10.3390/app11156907
  • Sani van der Kley, Johannes Emmert, Anna Schmidt, Andreas Dreizler, Steven Wagner,. 2021. „Tomographic spectrometer for the temporally-resolved 2D reconstruction of gas phase parameters within a generic SCR test rig“ Proceedings of the Combustion Institute 38, no. 1: 1703-1710. https://doi.org/10.1016/j.proci.2020.09.009
  • van der Kley, Sani, Gabriele Goet, Anna Schmidt, Valentina Einspieler, and Steven Wagner. 2021. „Multiparameter Determination of Thin Liquid Urea-Water Films“ Applied Sciences 11, no. 19: 8925. https://doi.org/10.3390/app11198925
  • Anna Schmidt, Benjamin Kühnreich, Hannah Kittel, Cameron Tropea, Ilia V. Roisman, Andreas Dreizler, Steven Wagner (Januar, 2018): Diode Laser Based Film Thickness Measurement of DEF. Conference: Laser Applications to Chemical, Security and Environmental Analysis. DOI: 10.1364/LACSEA.2018.LM3C.3
  • Anna Schmidt, Benjamin Kühnreich, Matthias Jacobs, Steven Wagner (Januar, 2019): Diode Laser-based Film Thickness Measurement of DEF in a generic exhaust gas test bench for the investigation of SCR-relevant processes. Conference: CLEO: Applications and Technology. DOI: 10.1364/CLEO_AT.2019.ATh4K.4